JP2012067747A - ターボ機械で使用するシーリング組立体及びそれを組立てる方法 - Google Patents

ターボ機械で使用するシーリング組立体及びそれを組立てる方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ターボ機械で使用するシーリング組立体(152)を提供する。
【解決手段】本シーリング組立体は、その中に円周方向に形成された少なくとも1つのチャネル(142、163)を有する回転要素(140)と、少なくとも1つのチャネル内に配置された少なくとも1つのシーリング要素(164)とを含み、少なくとも1つのシーリング要素は、回転要素の周りで円周方向に延びかつ実質的蛇行通路を形成する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、総括的にはターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械で使用するシーリング組立体に関する。
公知のターボ機械は、形成(defined)流路を含む。例えば、少なくとも幾つかの公知の蒸気タービンエンジンは、それを貫通して延びる形成蒸気通路を含む。蒸気漏洩は、蒸気通路内に向けて又は該蒸気通路からのいずれかとして発生する可能性があり、またより高い圧力の領域からより低い圧力の領域へと発生する可能性がある。そのような漏洩は、タービンの運転上の信頼性に悪影響を与えるおそれがある。例えば、タービンにおいて該タービンの回転ロータシャフトと周囲のタービンケーシングとの間で発生する蒸気通路漏洩は、タービンの全体効率を低下させる可能性がある。同様に、シェルと隣接タービン間で延びるケーシングの部分との間における蒸気通路漏洩もまた、蒸気タービンの全体効率を低下させる可能性がある。時間の経過と共に、蒸気タービンの運転効率の低下により、燃料コストの増加が生じるおそれがある。
流路漏洩の量を減少させるために、少なくとも幾つかの公知のターボ機械では、シール及び流れ抑制器のような流れ制止装置が使用されている。そのような流れ制止装置は一般的に、それを通って流れが漏洩する可能性がある領域の全体寸法を減少させ、従って漏洩の量を減少させる。例えば、回転及び静止部品との間の空洞空間内でナイフエッジシールを使用して流れ漏洩を最少にすることができる。公知のナイフエッジシールは、台形又は矩形のような簡単な二次元形状で形成される。そのようなナイフエッジシールは、回転軸線に沿ったほぼ平面として延びる。流れ漏洩を減少させるために、シール歯の頂部と対向表面との間における間隙を大幅に減少させている。しかしながら、公知のターボ機械内では、流れが大きな接線速度を有するので、流れは、該流れが下流の間隙領域に向けて移動する時に表面又は壁に沿って「スキッド(横滑り)する」可能性がる。そのような「スキッド」により、公知のナイフエッジシールの有効性が阻害されて、これらの領域における流れ漏洩を大幅に減少させることができない。
米国特許第7435049号明細書
1つの実施形態では、ターボ機械で使用するシーリング組立体を組立てる方法を提供する。本方法は、ターボ機械の回転要素内に形成された少なくとも1つのチャネル内に、その中に形成された実質的蛇行流路を備えた少なくとも1つのシーリング要素を配置するステップを含む。シーリング要素は、該シ−リング要素が回転要素及び静止要素間に形成された空洞内に延びるように該回転要素の周りで円周方向に延ばされる。これにより、空洞の上流領域から該空洞の下流領域への流れ漏洩を大幅に減少させることができる。
別の実施形態では、ターボ機械で使用するシーリング組立体を提供する。本シーリング組立体は、その中に形成された実質的蛇行流路を備えた少なくとも1つのシーリング要素を含む。シーリング要素は、ターボ機械の回転要素内に形成された少なくとも1つのチャネル内に配置されるような寸法及び形状にされる。さらに、シーリング要素は、該シーリング要素が回転要素及び静止要素間に形成された空洞内に延びるように該回転要素を実質的に囲む。これにより、空洞の上流領域から該空洞の下流領域への流れ漏洩を大幅に減少させることができる。
さらに別の実施形態では、ターボ機械を提供する。本ターボ機械は、その中に円周方向に形成された少なくとも1つのチャネルを有する回転要素を含む。本ターボ機械は、回転要素を少なくとも部分的に囲み、該回転要素と共にそれらの間に空洞を少なくとも部分的に形成する静止要素を含む。さらに、その中に形成された実質的蛇行流路を備えた少なくとも1つのシーリング要素が含まれる。シーリング要素は、チャネル内に配置されるような寸法及び形状にされる。さらに、シーリング要素は、回転要素を実質的に囲んで、空洞の上流領域から該空洞の下流領域への流れ漏洩を大幅に減少させることができる。
公知の例示的な対向流蒸気タービンエンジンの概略断面図。 図1に示すタービンエンジンで使用することができる例示的な高圧(HP)セクションの一部分の概略断面図。 図2に示しかつ線3−3に沿って取ったHPセクションで使用することができるシーリング組立体の一部分の部分分解斜視図。 図2に示すシーリング組立体を組立てる例示的な方法を示すフローチャート。
本明細書で説明する例示的な方法、装置及びシステムは、ターボ機械それ自体及び/又はその関連するハードウェア部品内における流体漏洩が存在する状態で作動している可能性がある公知のターボ機械と関連する欠点を克服する。本明細書で説明する実施形態は、ターボ機械内における流体漏洩を大幅に減少させ、それにより次にタービン性能を向上させる、ターボ機械で使用するシーリング組立体を提供する。より具体的には、本明細書で説明するシーリング組立体は、その中に形成された実質的蛇行流路を備えた少なくとも1つのシーリング要素を含み、かつ該シーリング要素は、ガスタービンエンジンの圧縮機において見られる回転要素のようなターボ機械の回転要素上に又は蒸気タービンエンジンのロータシャフト上に設置される。
図1は、高圧(HP)セクション102及び中圧(IP)セクション104を備えた例示的な対向流蒸気タービンエンジン100の概略断面図を示している。図1は、例示的な蒸気タービンエンジンを描いているが、本明細書で説明するシーリング組立体及び方法は、いずれか1つの特定のタービンエンジンに限定されるものではないことに注目されたい。本発明がそのような装置及び方法を可能にするあらゆる好適な構成のあらゆるターボ機械で使用することができることは、当業者には分かる筈である。
この例示的な実施形態では、HPシェル又はケーシング106は、軸方向にそれぞれ上半部及び下半部セクション108及び110に分割される。同様に、IPシェル112は、軸方向にそれぞれ上半部及び下半部セクション114及び116に分割される。この例示的な実施形態では、シェル106及び108は、内側ケーシングである。それに代えて、シェル106及び108は、外側ケーシングとすることができる。HPセクション102及びIPセクション104間に配置された中央セクション118は、高圧蒸気入口120及び中圧蒸気入口122を含む。ケーシング106及び112内において、HPセクション102及びIPセクション104はそれぞれ、ジャーナル軸受126及び128によって支持された単一の軸受スパンで配置される。蒸気シール組立体130及び132が、それぞれ各ジャーナル軸受126及び128の内側寄りに結合される。
環状セクション分割器134が、中央セクション118から回転要素140に向けて半径方向内向きに延びる。この例示的な実施形態では、回転要素140は、ロータシャフトである。回転要素140は、HPセクション102及びIPセクション104間で延びる。より具体的には、分割器134は、第1のHPセクション入口ノズル136及び第1のIPセクション入口ノズル138間において回転要素140の一部分を囲む。分割器134は、パッキンケーシング144内に形成されたチャネル142内に少なくとも部分的に挿入される。より具体的には、この例示的な実施形態では、チャネル142は、該チャネル142の中心開口部(図1には図示せず)が半径方向外向きに面するように、パッキンケーシング144内に半径方向にかつ該パッキンケーシング144の外周部の周りに延びるC字形状チャネル142である。
運転時に、高圧蒸気入口120は、発電ボイラ(図1には図示せず)のような蒸気発生源から高圧かつ高温蒸気を受ける。蒸気は、入口ノズル136からHPセクション102を通して送られ、蒸気による仕事が要素140の回転を生じさせる。この例示的な実施形態では、蒸気は、回転要素140に結合された複数のタービンブレード又はバケット(図1には図示せず)に衝突する。この例示的な実施形態では、各組のバケットは、蒸気を関連するバケットに導くことができるシーリング組立体(図1には図示せず)の近くに設置される。蒸気は、HPセクション102から流出しかつそれが再加熱されるボイラに戻される。再加熱蒸気は次に、IP蒸気入口122に送られ、かつHPセクション102に流入する蒸気よりも低い圧力であるが、該HPセクション102に流入する蒸気の温度にほぼ等しい温度でIPセクション104に戻される。HPセクション102において使用されたのとほぼ同様な方法で、IPセクション104内の蒸気から仕事が取出される。従って、HPセクション102内における作動圧力は、IPセクション104内における作動圧力よりもより高くて、該HPセクション102内における蒸気が該HPセクション102及びIPセクション104間に形成された漏洩通路を通ってIPセクション104に向けて流れる傾向になる。1つのそのような漏洩通路は、回転要素140に沿ってパッキンケーシング144を軸方向に貫通した状態で形成することができる。
この例示的な実施形態では、蒸気タービン100は、対向流HP及びIP蒸気タービンエンジンである。それに代えて、蒸気タービン100は、それに限定されないが、低圧タービンを含むあらゆるその他のタービンで使用することができる。加えて、本発明は、対向流蒸気タービンで使用することに限定されるものではなく、むしろ、それに限定されないが、単流及び複流蒸気タービンエンジンを含むあらゆる蒸気タービン構成で使用することができる。さらに、上述のように、本発明は、蒸気タービンエンジンで使用することのみに限定されるものではなく、ガスタービンエンジンのようなその他のタービンシステムで使用することもできる。
図2は、蒸気タービンエンジン100(図1に示す)で使用することができる例示的なHPセクション143の一部分の概略断面図である。この例示的な実施形態では、HPセクション143は、上半部ケーシング(図2には図示せず)を含み、上半部ケーシングは、セクション102が完全に組立てられた時に下半部ケーシング(図2には図示せず)にボルト止めされる。ノズルキャリア上半部150は、該ノズルキャリア上半部150がケーシングの半径方向内向き延長部として機能するように、上半部ケーシングと係合する。HPセクション143はまた、回転要素140、シーリング組立体152、環状グルーブ153、及び静止要素155を含む。ノズルキャリア上半部150は、ノズル138(図1に示す)に対する支持並びにグルーブ153を介しての静止要素に対する支持を与える。ノズルキャリア下半部(図2には図示せず)は、下半部ケーシングに結合されかつノズルキャリア上半部150と同じ方法でノズル138及び回転要素140を受ける。HPセクション143はまた、回転要素140に固定結合された回転タービンブレード又はバケット組立体(図2には図示せず)を含む。
この例示的な実施形態では、回転要素140は、その中に円周方向に形成された少なくとも1つのチャネル163を有する。回転要素140はまた、表面166を含む。この例示的な実施形態では、回転要素140は、その中に円周方向に形成された4つのチャネルを含む。それに代えて、回転要素140は、該回転要素140が本明細書で説明するように機能することができる任意の数のチャネル163を含むことができる。
静止要素155は、半径方向外側部分156、ノズル部分158及び半径方向内側部分160を有する。静止要素155は、回転要素140を少なくとも部分的に囲んで、該静止要素155及び回転要素140がそれらの間に空洞162を少なくとも部分的に形成する。
シーリング組立体152は、回転要素140を実質的に囲む少なくとも1つのシーリング要素164を含む。さらに、シーリング要素164は、チャネル164内に少なくとも部分的に挿入される。それに代えて、シーリング要素164は、該シーリング要素164がチャネル164内に一体形に形成されるように、回転要素140と一体形に形成することができる。この例示的な実施形態では、シーリング要素164は、該シーリング要素164がチャネル163から空洞162内に距離167だけ外向きに延びるようにチャネル163内に配置されるような寸法及び形状にされる。さらに、この例示的な実施形態では、各シーリング要素164には、その中に形成された実質的蛇行流路を備える。
この例示的な実施形態では、シーリング組立体152は、その各々が個別のチャネル163内に少なくとも部分的に挿入された4つのシーリング要素164を含む。それに代えて、シーリング組立体152は、該シーリング組立体152が本明細書で説明するように機能することができる任意の数のシーリング要素164を含むことができる。
運転時に、蒸気は、HPセクション蒸気入口120(図1に示す)を介してセクション143に流入しかつ矢印180で示すようにセクション102を通して送られる。入口ノズル136(図1に示す)及び関連するバケット組立体(図2には図示せず)は、エンジン100の第1の段を形成する。入口ノズル136及びノズル158は、バケット組立体に向けて蒸気を送ることができる。より具体的には、蒸気は、関連する矢印176で示すように、ノズル部分158を横切って上流領域177から下流領域179に流れる。蒸気はまた、関連する矢印180で示すように、空洞162を横切って該キャブティ162の上流領域190から該キャブティ162の下流領域192に流れる。
蒸気流れが、空洞162を通して送られると、その流れはシーリング要素164と接触する。シーリング要素164は、その中に形成された実質的蛇行流路を備え、この蛇行流路が、空洞162を通る流れを緩和することができる。より具体的には、シーリング要素164は、表面166に沿って「スキッドする」流れの能力を崩壊させ、それにより、空洞162の上流領域190から該空洞162の下流領域192への流れ漏洩を大幅に減少させる。その時蒸気流れは、ノズル部分158を横切るように迂回する。
図3は、線3−3(図2に示す)に沿って取ったシーリング組立体152の一部分の部分分解斜視図を示している。シーリング要素164は、チャネル163内に配置される。より具体的には、この例示的な実施形態では、3つのシーリング要素164は、その各々が個別のチャネル163内に配置されている。さらに、この例示的な実施形態では、1つのシーリング要素190は、シーリング要素164を本明細書で説明することができるように、チャネル163から距離を置いた状態で示している。
各チャネル163は、それを貫通して延びる中心線203又は対称軸線を有する状態で形成される。さらに、各チャネル163は、その各々が中心線から距離207ほど軸方向に延びる上流部分204及び下流部分206を有する状態で形成される。上流チャネル部分204及び下流チャネル部分206は各々、中心線203から軸方向に延びる。この例示的な実施形態では、下流チャネル部分206は、中心線203に関して上流チャネル部分204とほぼ対称に整列している。
シーリング要素164は、その上に形成された中心線208又は対称軸線を有する。中心線208は、チャネル中心線203とほぼ同一直線上にある。より具体的には、各シーリング要素164は、チャネル163内にほぼその中心に配置される。
さらに、この例示的な実施形態では、シーリング要素164は、その各々がチャネル中心線203から軸方向に延びる上流部分210及び下流部分212を有する状態で形成されて、該下流部分212が、中心線203に関して上流部分210と実質的に整列する。それに代えて、下流部分212及び/又は上流部分210は、斜めに整列させることができかつ/或いは中心線203に関してほぼ対称でないようにすることができる。
この例示的な実施形態では、各シーリング要素164は、実質的3次元形状及びその中に形成された実質的蛇行流路を有する。さらに、各シーリング要素164は、チャネル中心線203から第1の方向に距離215ほど軸方向に延びる第1の部分214及び該チャネル中心線203から第1の方向とは異なる第2の方向に距離217ほど軸方向に延びる第2の部分216を含む。例えば、図3に示すように、第2の部分216は、シーリング要素164が実質的正弦波形状で形成されるように、第1の部分214とは反対方向に延びる。
図4は、シーリング組立体152(図2及び図3に示す)のようなシーリン組立体を組立てる例示的な方法300を示すフローチャートである。本方法300は、回転要素140(図1、図2及び図3に示す)内に形成された少なくとも1つのチャネル163(図2及び図3に示す)内に、その中に形成された実質的蛇行流路を備えた少なくとも1つのシーリング要素164(図2及び図3に示す)を配置するステップ302を含む。
シーリング要素164は、該シーリング要素164が回転要素140及び静止要素155(図2に示す)間に形成された空洞162(図2に示す)内に延びて、空洞162の上流領域190(図2に示す)から該空洞162の下流領域192(図2に示す)への流れ漏洩を大幅に減少させることができるように、該回転要素140の周りに延ばされる304。
シーリング要素164は、該シーリング要素164がチャネル163から半径方向外向きに延びるように、該チャネル163内に少なくとも部分的に挿入される306。それに代えて、シーリング要素164は、回転要素140と一体形に形成する308ことができる。
さらに、シーリング要素164がチャネル163内に配置される302と、シーリング要素164は、該シーリング要素164がチャネル163内にほぼその中心に位置するように配置される310。
さらに、シーリング要素164の上流部分210(図3に示す)及び該シーリング要素164の下流部分212(図3に示す)は各々、チャネル163の中心線203(図3に示す)から軸方向に延びるように配置される312。さらに、シーリング要素164の第1の部分214(図3に示す)がチャネル中心線203から第1の方向に軸方向に延ばされまたシーリング要素164の第2の部分216(図3に示す)がチャネル中心線203から第1の部分214とは反対方向に軸方向に延ばされる314。さらに、少なくとも1つのシーリング要素164がチャネル163内に配置される302と、実質的正弦波形状を有する少なくとも1つのシーリング要素164は、チャネル163内に配置される316。
本明細書で説明したシーリング組立体のための方法及び装置により、ターボ機械の運転を高めることができ、現在使用されている公知のシール及び流れ抑制器と比較してよりロバストなターボ機械シール構成が得られる。より具体的には、上述した実施形態により、ターボ機械内における流体漏洩を大幅に減少させる、ターボ機械で使用するシーリング組立体が得られる。シーリング組立体は、ターボ機械の回転要素上に設置されたシーリング要素を利用する。このシーリング要素は、実質的3次元形状を有しかつ実質的蛇行流路を形成する。シーリング要素は、回転要素の表面に沿ってスキッドする流れの能力を崩壊させ、それにより次に、流れ漏洩を大幅に減少させる。そのようなシール構成により、ターボ機械における効率、信頼性、及び保守整備コストの低減が可能になる。
以上、ターボ機械と関連するシーリング組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。本方法、装置及びシステムは、本明細書で説明した特定の実施形態にもまた特定の図示したシーリング組立体にも限定されるものではない。様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の修正で実施することができることは当業者には分かるであろう。
本発明の様々な実施形態の特定の特徴を幾つかの図面に示しまたその他の図面には示していない場合があるが、それは単なる便宜上のためである。さらに、上記の説明における「1つの実施形態」という表現は、記載した特徴を同様に組入れている付加的な実施形態の存在を除外するものとして解釈することを意図するものではない。本発明の原理に従い、ある図面のあらゆる特徴は、あらゆるその他の図面の任意の特徴と組合せて記載しかつ/又は特許請求することができる。
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することを意図している。
100 蒸気タービンエンジン
102 高圧(HP)セクション
104 中圧(IP)セクション
106 HPシェル又はケーシング
108 下半部セクション
110 半部セクション
112 IPシェル
114 下半部セクション
116 半部セクション
118 中央セクション
120 HPセクション蒸気入口
122 中圧蒸気入口
126 ジャーナル軸受
128 ジャーナル軸受
130 蒸気シール装置
132 シール装置
134 分割器
136 入口ノズル
138 IPセクション入口ノズル
140 回転要素
142 チャネル
144 パッキンケーシング
150 ノズルキャリア上半部
152 シーリング組立体
153 複数の環状グルーブ
154 バケット組立体
155 静止要素
156 外側部分
157 環状突出部
158 ノズル部分
160 内側部分
162 空洞
163 チャネル
164 シ−リング要素
166 表面
200 上流領域
202 下流領域
203 中心線
204 上流チャネル部分
206 下流チャネル部分
208 中心線
210 上流部分
212 下流部分
214 第1の部分
216 第2の部分
300 方法
302 その中に形成された実質的蛇行流路を備えた少なくとも1つのシーリング要素が、回転要素内に形成された少なくとも1つのチャネル内に配置される
304 シーリング要素が回転要素及び静止要素間に形成された空洞内に延びて、空洞の上流領域から該空の下流領域への流れ漏洩を大幅に減少させることができるように、回転要素140の周りに該シーリング要素を延ばす
306 シーリング要素は、該シーリング要素がチャネルから半径方向外向きに延びるように、該チャネル内に少なくとも部分的に挿入される
308 シーリング要素は、回転要素と一体形に形成される
310 シーリング要素は、チャネル内にほぼその中心に配置される
312 シーリング要素の上流部分及び該シーリング要素の下流部分は各々、チャネルの中心線から軸方向に延びるように配置される
314 シーリング要素の第1の部分がチャネル中心線から第1の方向に軸方向に延ばされまたシーリング要素の第2の部分がチャネル中心線から第1の部分とは反対方向に軸方向に延ばされる

Claims (10)

  1. ターボ機械で使用するシーリング組立体(152)であって、
    その中に円周方向に形成された少なくとも1つのチャネル(142、163)を有する回転要素(140)と、
    前記少なくとも1つのチャネル内に配置された少なくとも1つのシーリング要素(164)と、を含み、
    前記少なくとも1つのシーリング要素が、前記回転要素の周りで円周方向に延びかつ実質的蛇行通路を形成する、
    シーリング組立体(152)。
  2. 前記少なくとも1つのシーリング要素(164)が、該少なくとも1つのシーリング要素が前記少なくとも1つのチャネル(142、163)から半径方向に延びるように該チャネル内に配置される、請求項1記載のシーリング組立体(152)。
  3. 前記少なくとも1つのシーリング要素(164)が、前記回転要素(140)と一体形に形成される、請求項1記載のシーリング組立体(152)。
  4. 前記少なくとも1つのチャネル(142、163)が、その中に定められた中心線(203)を含み、
    前記少なくとも1つのチャネルが、前記チャネル中心線から軸方向に延びる上流部分(204)及び該チャネル中心線から軸方向に延びる下流部分(206)を含み、
    前記下流チャネル部分(206)が、前記チャネル中心線(203)に関して前記上流チャネル部分(204)とほぼ対称である、
    請求項1記載のシーリング組立体(152)。
  5. 前記少なくとも1つのシーリング要素(164)が、その上に定められかつ前記チャネル中心線(203)とほぼ一致した中心線(208)を含む、請求項4記載のシーリング組立体(152)。
  6. 前記少なくとも1つのシーリング要素(164)が、前記シーリング要素中心線(208)から軸方向に延びる上流部分(210)及び該シーリング要素中心線から軸方向に延びる下流部分(212)を含み、
    前記少なくとも1つのシーリング要素の上流部分の少なくとも一部分が、前記下流チャネル部分(206)の少なくとも一部分内に配置される、
    請求項5記載のシーリング組立体(152)。
  7. 前記少なくとも1つのシーリング要素(164)が、
    前記チャネル中心線(203)から第1の方向に軸方向に延びる第1の部分(214)と、
    前記チャネル中心線(203)から前記第1の方向とは異なる第2の方向に軸方向に延びる第2の部分(216)と、をさらに含む、
    請求項6記載のシーリング組立体(152)。
  8. 前記少なくとも1つのシーリング要素(164)が、実質的正弦波形状を有する、請求項1記載のシーリング組立体(152)。
  9. ターボ機械であって、
    その中に円周方向に形成された少なくとも1つのチャネル(142、163)を有する回転要素(140)と、
    前記回転要素を実質的に囲みかつ該回転要素と共にそれらの間に空洞(162)を少なくとも部分的に形成した静止要素(155)と、
    前記少なくとも1つのチャネル内に配置され、前記回転要素の周りで円周方向に延びかつ実質的蛇行通路を形成した少なくとも1つのシーリング要素(164)と、を含む、
    ターボ機械。
  10. 前記少なくとも1つのチャネル(142、163)が、その中に定められた中心線を含み、
    前記少なくとも1つのチャネルが、前記チャネル中心線(203)から軸方向に延びる上流部分(204)及び該チャネル中心線203)から軸方向に延びる下流部分(206)を含み、
    前記下流チャネル部分(206)が、前記チャネル中心線に関して前記上流チャネル部分とほぼ対称であり、
    前記少なくとも1つのシーリング要素が、その上に定められかつ前記チャネル中心線とほぼ一致した中心線を含む、
    請求項9記載のターボ機械。
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